Implementacja testu Rod and Frame w wirtualnej rzeczywistości

Implementation of rod and frame test in virtual reality

Michał Adamski1*
1 Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław
 
* e-mail: 229661@student.pwr.edu.pl

Streszczenie

Test Rod and Frame (RFT, z ang. Rod and Frame Test) to psychofizyczna metoda badania percepcji. Ze względu na jego prostotę wykonywany był w wielu wariantach na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat. Celem tematu była analiza potencjału RFT w diagnostyce chorób neurodegeneracyjnych, w szczególności choroby Parkinsona oraz zbadanie związku między testem, a badaniami zmysłu równowagi. Zbadano również możliwość zastosowania technologii wirtualnej rzeczywistości (VR, z ang. Virtual reality) do przeprowadzenia RFT.
Badania prowadzone w drugiej połowie ubiegłego wieku wykazały wpływ układu odniesienia (FoR, z ang. Frame of Reference) na utrzymanie równowagi. W trakcie RFT ciągła zmiana FoR badanego, powoduje trudności z ustawieniem pałeczki w pionie. Problemy w utrzymaniu równowagi osób chorych na chorobę Parkinsona (PD, z ang. Parkinson’s disease) z zamkniętymi oczyma oraz związek problemów ze zmysłem równowagi i wynikami RFT, mogą stać się podstawą dla nowej metody wczesnego wykrywania PD oraz odróżniania przypadków wystąpienia choroby Parkinsona od innych chorób o podobnych charakterystycznych objawach.
Dla zapewnienia iluzji Rod and Frame (RFI, z ang. Rod and Frame Illusion) w badaniach wykorzystywano wiele metod, od prostego wiaderka z patyczkiem, po wyciemnione pokoje ze świecącą pałeczką na ścianie. Aby w pełni wykorzystać potencjał RFI, sprawdzono możliwość wykonania badania przy użyciu gogli VR.
Słowa kluczowe: Test Rod and Frame, choroba Parkinsona, wirtualna rzeczywistość, VR, zmysł równowagi, choroby neurodegeneracyjne

Abstract

Rod and Frame Test (RFT) is a psychophysical method of testing perception. Due to its simplicity it has been made in many variants over the last several decades. The aim of the subject was to analyse the potential of RFT in the diagnosis of neurodegenerative diseases, in particular Parkinson’s disease (PD) and to examine the relationship between the test and the sense of balance examination. Also examined the possibility of using the technology of virtual reality (VR) to carry out the RFT.
Research conducted in the second half of the last century has shown the effect of the frame of reference (FoR) on maintaining balance. During RFT, a continuous change in the FoR of the subject, makes it difficult to set the rod vertically. Problems in maintaining the balance of people with Parkinson's disease with closed eyes and the relationship of problems with the sense of balance and RFT results, may become the basis for a new method of early detection of PD and distinguishing cases of Parkinson's disease from other diseases with similar characteristic symptoms.
To provide Rod and Frame illusion (RFI), many methods have been used in the research, from a simple pail with a stick to darkened rooms with a glowing stick on the wall. To fully use the RFI potential, the possibility of testing using VR goggles was tested.
Keywords: Rod and Frame Test, Parkinson’s disease, virtual reality, VR, sense of balance, neurodegenerative diseases

Wprowadzenie

Choroba Parkinsona to choroba neurodegeneracyjna, pospolicie występująca u seniorów. Jest to postępujące zaburzenie, które rozwija się od sztywności mięśni i nieregularnych drżeń, po silne dysfunkcje ruchu, problemy z pamięcią, drżenia i demencję. We wczesnym etapie rozwoju może w pełni nie wykazywać charakterystycznych objawów, takich jak: drżenie spoczynkowe, bradykinezja czy sztywność mięśni. Mogą być one również mylone z objawami innych chorób, nie związanych z niedoborem dopaminy: drżenie samoistne, dystonia, choroby układu naczyniowego, parkinsonizm spowodowany lekami lub toksynami. Dlatego PD jest trudne do wczesnego zdiagnozowania, które jest kluczowe, aby zapewnić odpowiednią opiekę medyczną oraz w odpowiednim czasie włączyć leczenie farmakologiczne [[1], [2]].
Najbardziej rozpoznawalnymi objawami choroby Parkinsona są zaburzenia ruchowe: drżenie, problemy z chodzeniem czy opóźnienia ruchów. Niestabilność postury jest efektem opóźnienia reakcji mięśni — zmniejszony refleks. To właśnie te zaburzenia są odpowiedzialne za upadki, których częstotliwość rośnie wraz z rozwojem choroby. Istnieją też inne czynniki, takie jak niezdolność do integracji zmysłu wzroku, równowagi oraz propriocepcji. Zauważalne zaburzenia postury pojawiają się dopiero w późnych fazach rozwoju choroby. Problemy z układem sensorycznym organizmu to również efekt starzenia [[3]]. Istnieje podejrzenie, że te objawy rozwijają się równolegle z tymi widocznymi na początku rozwoju choroby, jednak są niemal niezauważalne i ujawniają się z czasem. Istnieje więc pytanie, czy można je wykryć i zbadać ilościowo.
Zgodnie z opinią lekarzy Wojewódzkiego Specjalistycznego Zespołu Neuropsychiatrycznego im. Św. Jadwigi Śląskiej w Opolu, lekarz rodzinny nie posiada żadnych narzędzi do diagnostyki PD i innych chorób neurodegeneracyjnych. Skierowanie do specjalisty neurologa jest dawane, gdy objawy są już wyraźnie widoczne, lub gdy pacjent sam zauważy nieprawidłowości związane z zaburzeniami pamięci i innymi objawami demencji. To powoduje, że u neurologa pojawia się wiele pacjentów zdrowych, chorych na inne choroby, lub w zaawansowanym PD, którym ciężko jest już pomóc. Niestety, nawet jeśli osoba chora na PD trafi do lekarza specjalisty we wczesnym stadium choroby, to większość badań jakimi dysponuje lekarz, to badania jakościowe i w dużej mierze zależą od jego spostrzegawczości i oceny.
Dużą część badań funkcji motorycznych pacjenta można przeprowadzić przy użyciu czujników ruchu, takich jak: akcelerometry, czujniki żyroskopowe, lub zestawów do badania równowagi, np. platformy posturograficzne. Platforma do badań rozkładu nacisku stóp na podłoże firmy PODOSKOP kosztuje ok. 15–16 tysięcy zł, zestaw czujników Shimmer Sensing to koszt 2800 euro [[4], [5]]. Do tego wchodzą koszty stworzenia i utrzymania oprogramowania oraz przetwarzania danych. Neurolodzy z Opola wyrazili zapotrzebowanie na sprzęt diagnostyczny wraz z oprogramowaniem dla szpitala, jak i poradni rodzinnych. Miałby być on proste w użyciu i transporcie, a czas badania możliwie krótki. Takie możliwości daje wykorzystanie technologii VR, która umożliwia zasymulowanie zagospodarowanej w odpowiedni sposób przestrzeni o niemal dowolnych rozmiarach i złożoności, przy ograniczonym nakładzie kosztów w porównaniu z cenami sprzętu do badań równowagi.

Metoda i narzędzia badania

Iluzja Rod and Frame

RFI jest zjawiskiem, które można porównać do wrażeń, jakich człowiek może doświadczyć podczas pobytu w domu do góry nogami. W momencie zaburzenia układu odniesienia odczuwamy dyskomfort związany z sprzecznymi sygnałami wzrokowymi i pochodzącymi ze zmysłu równowagi. Zdrowy wzrok człowieka dostarcza mu największej ilości informacji z pośród wszystkich zmysłów, dlatego w momencie, gdy to wzrok dostarcza nam błędnych bodźców jesteśmy na nie wyjątkowo wrażliwi. W takim domu niektóre osoby mogą doświadczyć zawrotów głowy, a nawet upadków. Radykalna zmiana FoR nie jest jednak optymalna. Powoduje ona zupełny dysonans i duża część osób będzie w stanie przezwyciężyć wrażenia wzrokowe i utrzymać równowagę. Ponadto zmiana ta jest stała w czasie, co powoduje przyzwyczajenie się do zmienionego układu.
W iluzji Rod and Frame te problemy nie występują. Zadawane wychylenia nie przekraczają kilkudziesięciu stopni kątowych. Ramka ma kształt kwadratu, dla którego ze względu na symetrię, po obróceniu względem środka ciężkości o 90 ° kątowych (gdzie dodatni kąt obrotu oznacza obrót zgodny z ruchem wskazówek zegara) nie zauważa się zmiany. Do tego po wychyleniu o więcej niż 45 ° kątowych obserwujemy podobieństwo otrzymanego obrazu do obrazu, jaki tworzy się przy obrocie w kierunku ujemnych kątów (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara), można go wyznaczyć ze wzoru(1) gdzie kąt odpowiadający Ko kątowi  α.
 \(K_o\ =\ 90°\ -\ \alpha\)                                                                                                                          (1)
Dla tej iluzji FoR zmienia się ciągle w trakcie trwania badania. Badany nie ma czasu na przyzwyczajenie się do nowego układu odniesienia. Badani zauważali, że z czasem było im coraz trudniej oprzeć się wrażeniom wzrokowym, co świadczy o skuteczności zmiany FoR.
Skuteczność iluzji silnie zleży od odizolowania od wzrokowych bodźców zewnętrznych. Brak jakiegokolwiek innego odniesienia jest ważnym elementem, który nie zawsze może być spełniony ze względu na sposób przeprowadzania testu. Niewiele technik pozwala zachować w pełni odizolowany FoR.

Test Rod and Frame

RFT jest prostym do przeprowadzenia badaniem. Polega na ustawieniu pałeczki w pionie, niezależnie od ustawienia ramki. Błąd jest wyznaczany jako odchylenie od pionu ostatecznego ułożenia pałeczki.